Skripta Analýza el. obvodů programem

az z již označených bodů (např. (x1+x2)/2).

[#consecutive_points#] Počet následných bodů aby byla splněna vyhledávací
podmínka. Význam závisí na konkrétní podmínce. Např. pokud
se hledá maximum tak tento parametr udává počet bodů napravo
a nalevo které musí mít menší hodnotu než bod maxima.
Standardní hodnota je 1.

[(range x [,range y])] Specifikace intervalu na ose X a Y ve kterém se bude provádět
hledání (pokud se neuvede tak se prohledává plný rozsah).
možnosti: „nic“ pro plný rozsah ( , 10) , ( , , , 1)
numerické hodnoty (1, 2, 0, 10.4)
procenta plného rozsahu (1, 50%)
výraz ze značených bodů (x1+x2, 90%)

[repeat:] Specifikace počtu splnění pro nalezení bodu (např. 3: ).

Podmínka pro nalezení bodu. Pokud není nalezen žádný
vyhovující bod, tak měřicí funkce nevrátí žádnou hodnotu a je
ohlášena chyba.

LEvel - Nalezne první datový bod, jehož souřadnice y
překročí . Provádí interpolaci. Uplatní se
#consecutive_points#.

:
- číslo
- procenta plného rozsahu osy Y
- výraz ze značených bodů
- hodnota v decibelech vzhledem k maximu nebo minimu
max-3 db nebo -3 db => 3 db pod max. hodnotou
min+3 db nebo 3 db => 3 db nad min. hodnotou
- hodnota vzhledem k maximu nebo minimu
max-3 => maximum -3
min+3 => minimum +3
- hodnota v decibelech vzhledem k posledně nelezenému bodu
.-3 db => 3 db pod souřadnicí y předchozího bodu
.+3 db => 3 db nad souřadnicí y předchozího bodu
- hodnota vzhledem k posledně nelezenému bodu
.-3 => předchozí bod -3
.+3 => předchozí bod +3
“.” představuje souřadnici y posledního nalezeného bodu.
[,(posneg)] Určení směru kterým křivka protne definovanou úroveň.
Kladný směr = P, záporný = N, oba = (B). Standardně je
nastaveno B. Směr se uvažuje relativně vzhledem ke
směru prohledávání.

SLope[(posneg)] - Najde bod s největší směrnicí v zadaném směru. Provádí
interpolaci. Uplatní se #consecutive_points#.

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

[(posneg)] Určení požadovaného znaménka derivace. Kladné = P,
záporné = N, obě = (B). Standardně je nastaveno P.

PEak Najde nejbližší lokální maximum v daném směru. Uplatní se
#consecutive_points#.
TRough Najde nejbližší lokální minimum v daném směru.
MAx Najde bod s maximální hodnotu souřadnice y na celém intervalu.
Min Najde bod s minimální hodnotu souřadnice y na celém intervalu.
POint Přesune se na další datový bod v daném směru.
XValue- Najde první bod jehož souřadnice x je rovna specifikované
hodnotě. - stejná definice jak v příkazu LEvel.

Označení nalezeného bodu:
Příkazem !n se označí bod. Číslo n je libovolné a slouží pouze k identifikaci bodu. Označení
může být umístěno za jakýmkoliv kompletním vyhledávacím příkazem.

Příklad 4.1 Analýza aktivní pásmové propusti s operačním zesilovačem.

PARAMETERS:
R1
10.7k
C1 15n
R3 511
V1 1V
+
-
0
C2
15n
2
3 7
5
r
213k
R2 {r}
V-
V+
4
uA741 U1
out
6
V+ V-
15V
V2 -15V
V3
0 0
VDB
V-
V+

A) Určení závislosti činitele jakosti Q na hodnotě rezistoru R2 ∈ [100kΩ, 300kΩ].

Závislost Q na R2 určíme pomocí parametrické analýzy. Základem bude analýza AC
v rozsahu 500Hz až 3kHz s krokováním R2 v rozsahu 100kΩ až 300kΩ.

AC Sweep: •Decade Pts/Decade: 200
Start Freq.: 500
End Freq.: 3k

Parametric: • Global Parametr Name: r
• Linear Start Value: 100k
End Value: 300k
Increment: 10k

Výstupní uzel filtru označíme jako out a navíc na něj umístíme decibelový marker
(PSpice/Markers/Advanced/). Napětí vstupního zdroje V1 (VAC) je 1V, tedy přenosová
funkce K je číselně rovna napětí na výstupu v(out).
Před vytvářením měřicí funkce je nutné zhodnotit průběh všech dílčích křivek abychom
měli zaručeno že navržené vyhledávací příkazy vždy najdou správný bod. Příkazem
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 23
PSpice/Run (F11) spustíme simulaci. Výsledek v Probe je zhruba zachycen na obrázku.
K výpočtu Q budeme potřebovat určit šířku pásma pro pokles o 3dB. Frekvenční rozmítání
musí být nastavené tak, aby všechny křivky s rezervou umožnily určit pokles o 3dB.

f
K


B
3dB
1 2
Search Forward for Level(max-3db, P) !1
Search Backward /End/ for Level(max-3db, P) !2

Obr. 4.5: Konstrukce měřicí funkce

Pomocí vyhledávacích příkazů najdeme body 1 a 2 ve kterých přenos poklesne o 3dB oproti
maximu. Hledání bodu č. 1 začíná od počátku, bod č. 2 je hledán od konce intervalu.
V příkazech Level by nemusela být specifikace směru průsečíku (P - posneg). Je to jistá
pojistka pro případ že prohledávaná křivka nebude mít předpokládaný tvar. V tom případě je
pravděpodobnější vznik chyby. Pro určení Q použijeme přibližný vzorec
210
0
fff,
B
f
Q == .
Při výpočtu návratové hodnoty musíme samozřejmě místo f
1
a f
2
použít x1 a x2. Měřicífunkce
Q bude mít konečný tvar:
Q(1)=SQRT(x1*x2)/(x2-x1)
{
1| Search Forward for Level(max-3db,P) !1
Search Backward /End/ for Level(max-3db,P) !2;
}

Parametr 1 se při volání nahradí přenosovou funkcí. Protože V1 = 1V stačí uvést výstupní
napětí v(out). Jestliže je argument měřicí funkce komplexní automaticky se uvnitř převádí na
absolutní hodnotu. Přesnost výpočtu Q závisí na správném určení maxima přenosu, proto je
v AC analýze použito 200 bodů na dekádu.
Měřicí funkci zapíšeme do lokálního nebo globálního souboru v Probe volbou
Trace/Measurements/New. Ověření správného fungování lze provést v
Trace/Measurements/Eval. Jako argument zadáme v(out), tj. přenosovou funkci.
Srovnávací analýzu zapneme volbou Trace/Performance Analysis/OK a kreslení měřicí
funkce pomocí Trace/Add (Trace Expression = Q(v(out)) ) nebo můžeme použít průvodce
(Trace/Measurements/Wizard).
80K 120K 160K 200K 240K 280K 320K
R
Q(v(out))
10
5

Obr. 4.6: Závislost Q na parametru R
24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Jestliže přidáme další osu do srovnávacího grafu (volbou Ctrl-Y) můžeme zobrazit např.
frekvenci f
0
pásmové propusti pomocí předdeklarované měřicí funkce
CenterFreq(db(v(out)),3). První argument je modul přenosu v decibelech, parametr 3 udává,
že se f
0
bude určovat jako průměr frekvencí dvou bodů pro pokles o 3dB (podobně jako u Q).


B) Určení tolerance f
0
pásmové propusti jestliže tolerance rezistorů je 1% a kapacitorů 5%.

Rezistor R2 má nominální hodnotu 213kΩ. Předpokládáme, že se parametry operačního
zesilovače nemění.
Princip bude podobní jako v předchozí části příkladu. Použijeme předdeklarovanou
měřicí funkci CenterFreq (doporučuji si prohlédnout její definici). Nastavení základní
analýzy AC zůstane zachováno. Místo Parametric použijeme Monte Carlo pro 400 běhů.
Rozložení pravděpodobnosti bude rovnoměrné.

AC Sweep: •Decade Pts/Decade: 200
Start Freq.: 500
End Freq.: 3k

Monte Carlo: Analysis: •Monte Carlo Numebr of runs: 100
Output Var: V(out) Use distribution: Uniform
Function: YMAX
Save data from All runs

Abychom omezili velikost datového souboru zvolíme ukládání výstupu jen pro uzel
s markerem, tj. pro výstup (Pspice/Edit Simulation Profile/Data Collection -At Markers
Only). Po ukončení simulace se v Probe zobrazí přenosové funkce pro dílčí běhy analýzy.
Vícenásobnou analýzu zapneme volbou Trace/Performance Analysis/OK a kreslení
měřicí funkce pomocí Trace/Add (Trace Expression = CenterFreq(db(v(out)),3) ) nebo
můžeme použít průvodce. První argument měřicí funkce je modul přenosu v decibelech,
parametr 3 udává, že se f
0
bude určovat jako průměr frekvencí dvou bodů pro pokles o 3dB.
Histogram je vytvořen automaticky, protože Probe pozná, že se jedná o zpracování výsledků
Monte Carlo. Pod histogramem čteme:

minimum = 980Hz, maximum = 1080Hz.

Je možné očekávat, že se f
0
bude nacházet v tomto intervalu. Při zvýšení počtu běhů
dostaneme velmi podobné mezní hodnoty 980Hz a 1080Hz. Další zvýšení již nepřinese
podstatné změny.

Analýza elektronických obvodů programem PSpice 25
5 Základní metody analýzy
5.1 Obecné nastavení
Simulační profil
Nastavení prováděných analýz je uloženo v simulačním profilu. Každé schéma
v projektu může mít asociován libovolný počet profilů, jen jeden však může být aktivní.
Volba aktivního profilu se provádí v okně projektu pomocí pravého tlačítka myši.
Nový profil vytvoříme příkazem PSpice/New Simulation Profile. V profilu může být
nastavena jedna ze čtyř základních analýz (pracovní bod, stejnosměrná, střídavá, časová) a
případné nadstavby (krokování, Monte Carlo, atd.). Otevření profilu se provede příkazem
PSpice/Edit Simulation Profile.

Jména uzlů
Každý uzel simulovaného schématu má jméno, které se používá např. při odkazu na
jeho napětí. Standardně jsou jména přidělována automaticky podle šablony N0001, N0002,
atd. Nevýhodou tohoto systému je, že nejsme schopni určit vazbu mezi uzly ve schématu a
jejich jmény. Je proto výhodné označit sledované uzly uživatelským jménem (label) pomocí
příkazu Place/Net Alias (N).

Příklad 5.1 Označení uzlů ve schématu.

Napětí v uzlech je v(in) a v(out). Např. modul napěťového přenosu
v decibelech bude db(v(out)/v(in)).




Markery
Markery jsou speciální součástky, které způsobí, že se po skončení simulace ihned
vykreslí požadovaná veličina v Probe. Při manipulaci s markery není třeba vždy znovu
spouštět simulaci. Markery se nacházejí v položce Pspice/Markers hlavního menu.

Typy markerů:
null Voltage Level - zobrazení napětí proti referenčnímu uzlu (AGND nebo EGND).
null Voltage Differential - dvojice markerů (+ a -) pro určení napětí mezi uzly.
null Current Into Pin - měření proudu vývodem součástky.
null Power Dissipation – výkon ztracený v daném prvku.
null Mark Advanced - speciální markery převážně pro analýzu AC.


+
-
out in

26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Zobrazení stejnosměrného pracovního bodu
Proudy a napětí pracovního bodu je možné zobrazit ve schématu pomocí ikon nebo
, anebo volbou Pspice/Bias Points/Enable.

Nastavení postprocesoru Probe
V profilu v záložce Probe Window je možné nastavit chování postprocesoru.

Obr. 5.1: Nastavení postprocesoru Probe

Display Probe Window - Automatické spuštění Probe v průběhu nebo až po ukončení
simulace. Při simulaci rozsáhlých systémů je možné spustit postprocesor během
výpočtu a monitorovat průběhy. V případě chyby je možné simulaci ukončit.
Show Umožňuje nastavit, co se zobrazí v grafech. Pokud používáme markery, tak musí
být aktivní první volba (All markers...). Dodatečně definované grafy v Probe
budou však při nové simulaci smazány. Výhodnější je proto volba Last plot, která
zachovává poslední nastavení. Při prvním spuštění však musí uživatel definovat
křivky ručně.

V záložce Data Collection je možné nastavit, co všechno se bude ukládat do výstupního
souboru. Standardně se ukládají veškeré obvodové veličiny (proudy, napětí, výkony).
Selektivní ukládání má smysl jen u velkých obvodů např. při analýze Monte Carlo, kdy by
vznikl velmi rozsáhlý výstupní soubor.

5.1.1 Spuštění simulace a hledání případných chyb
Simulace se spouští volbou PSpice/Run (F11). Nejdříve proběhne kontrola schématu
(ERC - Electrical Rules Check). Pokud nejsou patřičně nastaveny parametry součástek, jména
konektorů apod., zobrazí se okno, kde jsou hlášení o nalezených chybách. Příčinu chyby lze
vyčíst z popisu. Pokud ERC proběhne bez chyb, tak se vytvoří soubory s popisem obvodu
(netlist) a předají se simulátoru. Jestliže během simulace dojde k chybě, tak se ve stavovém
okně simulátoru objeví chybové hlášení. Soubor s hlášením o průběhu simulace a chybách jde
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 27
otevřít volbou PSpice/View Output File. Pokud bylo příčinou chyby špatné zadání obvodu
(nejčastěji špatné parametry součástek nebo analýz), tak je pod příslušným řádkem nápis
ERROR a stručný popis chyby. Uživatel musí rozhodnout o způsobu opravy. Pokud došlo k
chybě až během simulace (např. řešení nekonverguje), tak je hlášení až na konci souboru.

Nejčastější příčiny chyb:
null Neuzemněný obvod - ve schématu chybí definice referenčního (zemního) uzlu 0,
PSpice hlásí plovoucí (floating) uzly.
null Mezi číselnou hodnotou a příponou je mezera
chybně: 1 kHz ,
správně: 1kHz .
null Logaritmický interval rozmítání obsahuje nulu.
null Hodnota R, L nebo C je nulová - to PSpice nepřipouští.
null Chybějící deklarace globálního parametru (pseudosoučástka PARAM).

5.1.2 Nastavení globálních podmínek simulace
V záložce Options simulačního profilu se nastavují parametry simulace, které určují
chování programu PSpice. Výchozí hodnoty jsou nastaveny tak, aby vyhovovaly pro simulaci
za běžných podmínek.

Obr. 5.2: Okno pro nastavení analýz

Kompletní popis parametrů je uveden v referenční příručce. V dalším výkladu se omezíme
pouze na některé hodnotové parametry.
ABSTOL = 1pA - přesnost výpočtu proudů,
VNTOL = 1µV - přesnost výpočtu napětí,
RELTOL = 0.001 - relativní přesnost výpočtu napětí a proudů.

Tyto tři parametry řídí přesnost výpočtu. Relativní přesnost je určena parametrem RELTOL.
Absolutní přesnost však nikdy neklesne pod hodnoty VNTOL resp. ABSTOL.
)RELTOLV,VNTOLmax(V ⋅=∆
28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

)RELTOLI,ABSTOLmax(I ⋅=∆

Při simulaci silnoproudých obvodů (řádově kV a kA) se doporučuje zvýšit hodnoty ABSTOL
a VNTOL o tři řády.
TNOM = 27°C - nastavení standardní teploty pokud není zvoleno její rozmítání,
GMIN = 1pS - minimální vodivost větve. Uplatní se hlavně pro polovodičové prvky.

5.2 Stejnosměrný pracovní bod (Bias Point)
Výpočet pracovního bodu je doplněn o citlivostní analýzu a malosignálový
stejnosměrný přenos. Výsledky analýzy se ukládají do výstupního textového souboru
(PSpice/View Output File) a údaje o pracovním bodu lze zobrazit ve schématu.

Obr. 5.3: Výpočet stejnosměrného pracovního bodu

Include detailed.... – detailní výpis malosignálových parametrů nelineárních prvků do
textového výstupního suoboru.
Sensitivity analysis – citlivostní analýza (viz níže).
Small Signal DC gain - výpočet stejnosměrného přenosu, vstupního a výstupního odporu
v obvodu linearizovaném v pracovním bodu.

5.2.1 Stejnosměrná přenosová funkce (.TF)
Výpočet stejnosměrného malosignálového přenosu, vstupního a výstupního odporu
v obvodu linearizovaném v pracovním bodu. Musíme specifikovat jméno budícího zdroje a
výstupní veličinu. Pokud je výstupem proud musí se jednat o proud přes napěťový zdroj.
Například pro určení
B
C
I
I
∆
∆
=
d
β z příkladu v kap. 5.3 bychom nastavili:

Analýza elektronických obvodů programem PSpice 29
Output Variable: I(V1) (pozor na kladný směr proudu - přenosová funkce bude mít
opačné znaménko)
Input Source: I1

Popis specifikace výstupních proměnných je v příloze. Výpočet se provádí v pracovním bodu,
takže všechny zdroje musí mít správně nastavené parametry DC. Výstup analýzy je uložen do
textového souboru .out, který lze otevřít volbou PSpice/View Output File.

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
I(V_V1)/I_I1 = -1.784E+02 ← musíme otočit znaménko
INPUT RESISTANCE AT I_I1 = 2.862E+03
OUTPUT RESISTANCE AT I(V_V1) = 4.816E+04


5.2.2 Citlivostní analýza
Výpočet citlivosti stejnosměrného pracovního bodu na parametry rezistorů (R),
nezávislých zdrojů (V a I), spínačů (S a W), diod (D) a bipolárních tranzistorů (Q). V
nastavovacím okně specifikujeme seznam sledovaných veličin oddělených mezerou. Proud se
může specifikovat pouze přes napěťový zdroj. Popis syntaxe je v příloze. Výsledky analýzy
jsou ukládány do výstupního textového souboru .out, který lze otevřít volbou PSpice/View
Output File.

Výsledky jsou uspořádány do čtyř sloupců:
Element name Jméno parametru na který se zjišťuje citlivost.
Element value Nominální hodnota parametru v základních jednotkách.
Element sensitivity (Volts/Unit) - Absolutní citlivost
q
F
∆
∆
. Je číselně rovna změně
sledované veličiny F při změně parametru q o 1. Platí pouze v úzkém
rozsahu kolem nominální hodnoty parametru.
Normalised sensitivity (Volts/Percent) - Semirelativní citlivost v procentech
q
Fq
∆
∆
100
. Je
číselně rovna změně sledované veličiny F při změně parametru q o 1%
nominální hodnoty. Platí v úzkém okolí kolem nominální hodnoty
parametru.

5.3 Stejnosměrné rozmítání (DC Sweep)
Analýza pracovního bodu obvodu v závislosti na rozmítaném parametru. Pro účely DC
analýzy se ignorují setrvačné prvky - induktory se nahradí zkratem, kapacitory se neuvažují.
Uplatní se všechny zdroje s nastaveným parametrem DC. Pokud chybí nastavení DC a zdroj
obsahuje definici časového průběhu, tak je stejnosměrná složka odvozena z něj. Výsledky
analýzy se ukládají do datového souboru pro zobrazení v Probe.
30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Obr. 5.4: Nastavení stejnosměrného rozmítání

Skupina Sweep Variable nastavuje typ rozmítané veličiny:

Voltage Source Stejnosměrná složka napěťového zdroje (DC). Hodnota nastavená ve
schématu se ignoruje. Do pole Name se uvede jméno zdroje.
Current Source Stejnosměrná složka proudového zdroje (DC). Hodnota nastavená ve
schématu se ignoruje. Do pole Name se uvede jméno zdroje.
Global Parameter - Rozmítání globálního parametru. Do pole Parameter name se uvede
jeho jméno. Globální parametr je třeba deklarovat pomocí pseudosoučástky
PARAM, 3.2.2.
Model Parameter Rozmítání parametrů modelu. Použití této položky vyžaduje znalost
typu modelu a názvů jeho parametrů.

Příklad:
Rozmítání parametru BF (zhruba odpovídá β) bipolárního tranzistoru
BC547A. Příslušný model v knihovně má tvar:
.MODEL BC547A NPN (....... BF=253 ......)
Položky nastavíme takto:
Model: NPN
Model Name: BC547A
Parameter Name: BF
Během rozmítání se hodnota BF z knihovny ignoruje. Rozmítání má vliv na
všechny součástky odkazující se na daný model.
Temperature Teplota. Parametr TNOM (globální teplota) se ignoruje během rozmítání.

Pomocí Sweep Type se nastavuje typ rozmítání:

Linear Lineární rozmítání. Nastaví se počáteční a koncová hodnota a krok. Krok
volíme tak velký, aby na simulační interval připadly řádově stovky bodů.
Analýza elektronických obvodů programem PSpice 31
Logarithmic (Octave/Decade) - Logaritmické rozmítání. Nastaví se počáteční a koncová
hodnota a počet bodů na oktávu nebo dekádu. Interval rozmítání nesmí
obsahovat nulu.
Value List Rozmítání v diskrétních hodnotách ze seznamu. Do pole se napíše seznam,
jehož položky jsou odděleny mezerou nebo čárkou.
Secondary Sweep umožňuje nastavit vnější smyčku k základnímu DC rozmítání,
specifikovaný parametr „krokuje“. Dialogové okno je stejné jako pro základní analýzu. Není
možné nastavit rozmítání a krokování stejné proměnné.
Pokud simulátor není schopen určit pracovní bod (řešení nekonverguje), tak mu
můžeme „pomoci“ nastavením první iterace Newtonovy metody prostřednictvím
pseudosoučástek NODESET.

Příklad 5.2 Výstupní charakteristiky tranzistoru
Vykreslení sady výstupních charakteristik transistoru 2N2222 (v knihovně je pod
jménem Q2N2222) v zapojení SE, U
CE
∈[0, 10V] - plynulé rozmítání, I
B
∈[0, 50µV] -
krokování po 10µA (vnější smyčka).

Na bázi připojíme proudový zdroj, např. IDC a na kolektor
napěťový zdroj VDC. Zdroje musíme nastavit na
„rozumné“ hodnoty protože se jako první analýza vždy
počítá pracovní bod s nominálními hodnotami parametrů.
Během analýzy DC se samozřejmě parametry rozmítaných
zdrojů ze schématu neuplatní. Čtenář si může vyzkoušet,
že pro nastavení I1 = -10A není analyzátor schopen určit
pracovní bod protož